Fundamentos de alumbrado Generación de luz

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1 Fundamentos de alumbrado Generación de luz Philips Lighting Academy Fundamentos de alumbrado Generación de luz Nivel Profesional & Master Julio 2009 v01 Generación de luz Agenda Qué es la luz? Radiación electromagnética Fenómeno ondulatorio Fenómeno corpuscular Fuentes de luz Fuentes naturales Incandescentes Descarga en gas Fuentes de estado sólido Propagación de la luz Reflexión Refracción Dispersión Polarización Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 2

2 Qué es la luz? Radiación electromagnética Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 3 Qué es la luz? Radiación electromagnética R. cósmicos R. Gamma Rayos X Infrarrojo Radar FM radio AM radio (m) Espectro visible UV 380 (nm) 780 (nm) IR 1 nm = 10-9 m = mm Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 5

3 Qué es la luz? Fenómeno ondulatorio Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 6 Qué es la luz? Fenómeno ondulatorio Onda transversal Ejemplo: la luz Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 7

4 Qué es la luz? Fenómeno ondulatorio Onda longitudinal Ejemplo : sonido Onda transversal Ejemplo: la luz Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 8 Qué es la luz? Fenómeno ondulatorio Onda transversal Longitud de onda(λ) amplitud (a) frecuencia (f) velocidad (c) c = λ f c ~ km/s (2,998 x 10 8 m/s) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 9

5 Qué es la luz? Fenómeno corpuscular Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 10 Qué es la luz? Fenómeno corpuscular Cuantos o fotones Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 11

6 Qué es la luz? Fenómeno corpuscular h c E = h. f = λ Cuantos o fotones Max Planck : A mayor energía del cuanto => menor longitud de onda E f h c λ = energía (Julios) = frecuencia (Hz) = Cte de Planck (6,626 x J.sec) = velocidad de la luz (2,998 x 10 8 m/sec) = longitud de onda (m) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 12 Generación de luz Agenda Qué es la luz? Radiación electromagnética Fenómeno ondulatorio Fenómeno corpuscular Fuentes de luz Fuentes naturales Incandescentes Descarga en gas Fuentes de estado sólido Propagación de la luz Reflexión Refracción Dispersión Polarización Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 13

7 Fuentes de luz Fuentes Naturales Diversas fuentes de luz naturales, primarias y secundarias Sol Rayo Fuego Materiales luminiscentes Animales luminiscentes Estrellas Luna Planetas Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 14 Fuentes de luz Fuentes Artificiales Materiales que arden Calor cuerpo sólido Descarga en Gas Estado Sólido Vela Lámpara aceite Lámpara Incandescente Lámpara fluorescente LED Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 15

8 Fuentes de luz Diagramas de distribución espectral Potencia espectral W/5nm/lm Longitud de onda (nm) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 16 Fuentes de luz: lámpara incandescente Principio de la lámpara incandescente Bulbo de cristal a la cal filamento de tungsteno Vacío o gas inerte Conductor eléctrico Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 17

9 Fuentes de luz: lámpara incandescente Espectro continuo de la lámpara incandescente Potencia espectral relativa Longitud de onda (nm) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 18 Fuentes de luz: lámpara incandescente Distribución espectral de un cuerpo negro UV visible radiation IR Demostración: Potencia espectral relativa [mw/nm] 7000 K 6000 K 5000 K 4000 K 3000 K 2000 K u/sims/blackbodyspectrum/blackbodyspectrum_en.html Longitud de onda [nm] 3200 Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 19

10 Fuentes de luz: lámpara incandescente Distribución espectral de un cuerpo negro UV radiación visible IR Ley de Stephan-Boltzmann E = σ T 4 [J] σ = Cte Stephan-Boltzmann Desplazamiento de Wien s λ b max = [nm] T b = cte de desplazamiento de Wien relative spectral power [mw/nm] 7000 K 6000 K 5000 K 4000 K 3000 K 2000 K Longitud de onda (nm) 3200 Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 20 Fuentes de luz Principio de Descarga en gas Gas (ej. vapor de mercurio) Cátodo _ + ánodo _ + Electrones Cargas positivas Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 21

11 Fuentes de luz Principios de la descarga en gas: Colisión (1) Colisión elástica Resultado: Incrementa la temperatura del gas. Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 24 Fuentes de luz Principios de la descarga en gas: Colisión (2) Ionización Resultado: Generación de cargas positivas y electrones libres Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 25

12 Fuentes de luz Principios de la descarga en gas: Colisión (3) Excitación b d Fotón γ c a. Colisión b. Excitación c. Reversión d. Generación del fotón Electrón a Fotón Resultado: Emisión de energía electromagnética. Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 26 Fuentes de luz: Principio de descarga en gas Excitación mercurio a baja presión Niveles energéticos [ev] UV Nivel de ionización Nivels excitados λ[ nm ] = 1240 E ev UV [ ] 0 Demonstración Discharge Lamps Simulation Nivel de equilibrio Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 27

13 Fuentes de luz Principio de Descarga en gas Spectrum low-pressure mercury relative spectral power [mw/nm] wavelength (nm) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 28 Fuentes de luz Principio de Descarga en gas Spectrum low-pressure mercury fluorescent lamp Halo phosphate relative spectral power [mw/nm] wavelength (nm) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 29

14 Fuentes de luz Principio de Descarga en gas Spectrum high-pressure mercury relative spectral power [mw/nm] wavelength (nm) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 30 Fuentes de luz principio de luz estado sólido: LEDs (Luz Emitida por un Diodo) Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 31

15 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Nivel de energía superior Fotón Unión Nivel de energía inferiro Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 32 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED huecos electrónes tipo-p unión Tipo-n - - Material-P Unión Material-N Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 33

16 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Energía del electrón y longitud de onda (color de la luz) Luz azul Mayor energía Luz roja Menor energía Incremento de energía Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 34 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Energía del electrón y longitud de onda (color de la luz) Energía del electrón en [ev] longitud de onda [nm] c E = h λ E = energía del electrón en [ev] h = cte de Planck [ev.s] c = velociadad de la luz [m/s] λ = longitud de onda [m] Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 35

17 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Sistemas y tipo de materiales Nombre sistema Descripción Pro s Con s AlGaAs / GaAsP / GaP Sistema de Galio Arsénico y Fósforo Longitudes de onda desde infrarrojo al Verde Baja eficacia Vida AS AlInGaP AlInGaP Sustrato absorbente Larga vida Menor eficacia que el transparente TS AlInGaP AlInGaP Sustrato transparente Larga vida mayor eficacia y brillo InGaN Indio Galio y Nitrógeno Larga vida Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 36 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Sistemas y tipo de materiales Energía del electrón en [ev] longitud de onda [nm] AlGaAs InGaN AlInGaP En la zona del amarillo: No existen LEDS que puedan dar luz entre los 550 y los 585nm ni con tecnología AlInGaP ni InGaN Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 37

18 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED InGaN : Azul Royal Azul Cyan Verde InGaN Hueco en amarillo TS AlInGaP : Rojo Rojo-Naranja Ambar Blanco (LED azul con fósforos) AlInGaP Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 38 Fuentes de luz principio de funcionamiento del LED Señalización Through hole Media potencia Superflux y Leds de 5mm señalización 3ª luz de freno Indicación LEDs de superficie (SMD) baja y media potencia Indicadores en: ordenadores coches Telefonos móviles Iluminación LUXEON LEDs Alta potencia : Alumbrado exterior Tiendas Hoteles Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 39

19 Generación de luz Agenda Qué es la luz? Radiación electromagnética Fenómeno ondulatorio Fenómeno corpuscular Fuentes de luz Fuentes naturales Incandescentes Descarga en gas Fuentes de estado sólido Propagación de la luz Reflexión Refracción Dispersión Polarización Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 55 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflexión refracción absorción refracción Reflexión Refracción reflexión interna Absorción-Transmisión Dispersión Polarización reflexión transmisión Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 56

20 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflection refraction absorption refraction Reflection Refraction Internal reflection Absorption-Transmission Dispersion Polarization reflection Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 57 Propagación de la luz reflexión especular, mixta o difusa Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 58

21 Propagación de la luz reflexión especular Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 59 Propagación de la luz reflexión especular Glass balustrade Lightsources Reflections Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 60

22 Propagación de la luz reflexión especular Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 61 Propagación de la luz reflexión difusa Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 62

23 Propagación de la luz reflexión mixta Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 63 Propagación de la luz reflexión especular y difusa Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 64

24 Propagación de la luz Reflexión: Reflectores Esférico Combinación Esférica y parabólica Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 65 Propagación de la luz Reflexión: Reflectores Plano Elíptico Parabólico Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 66

25 Propagación de la luz Reflexión: Reflectores Halógena estándar con reflector de aluminio 5% IR (calor) 100% radiación visible Halógena con reflector dicroico, haz frío 66% IR (calor) 95% radiación visible 95% radiación IR 33% radiación IR Reflectivity [% ] 100 Aluminum reflector dichroicreflector Wavelength [nm] Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 67 Propagación de la luz Reflexión: Reflectores Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 68

26 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflexión refracción absorción refracción Reflexión Refracción Reflexión interna Absorción-Transmisión Dispersión Polarización reflexión Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 69 Propagación de la luz: ley de Snell la refracción α i aire (n 1 = 1) α r cristal (n 2 = 1,5) sin α r n 1 = sin α i n 2 n = índice de refracción Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 70

27 Propagación de la luz Refracción: lentes Punto focal Fuente puntual Lentes positivas Rayos paralelos Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 71 Propagación de la luz Refracción e interferencias entre aire y agua Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 72

28 Propagación de la luz Refracción e interferencias entre aire y agua Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 73 Propagación de la luz Refracción: Refracción paralela α i aire α r α r crista aire α i Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 74

29 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflection refraction absorption refraction Reflection Refraction Internal reflection Absorption-Transmission Dispersion Polarization reflection Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 75 Propagación de la luz Reflexión: Reflexión interna total α ο α ο α ο aire (n 1 = 1) >>42 >42 =42 < 42 cristal (n 1 = 1.51) α ι α ι α ι Refracción normal Reflexión interna total Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 76

30 Propagación de la luz Reflexión : reflexión interna total en la fibra óptica > 42 Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 78 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflection refraction absorption refraction Reflection Refraction Internal reflection Absorption-Transmission Dispersion Polarization reflection Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 79

31 Propagación de la luz Absorción - Transmisión 100 % Transmisión 81 % 4 % reflexión 4 % reflexión 12% absorción Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 80 Propagación de la luz Absorción: filtros de color y UV Luz blanca Filtro rojo Luz roja Luz blanca + UV Luz blanca sin UV Filtro UV Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 81

32 Propagación de la luz Reflexión-Refracción-Absorción/Transmisión-Dispersión reflection refraction absorption refraction Reflection Refraction Internal reflection Absorption-Transmission Dispersion Polarization reflection Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 82 Propagación de la luz Refracción: dispersión Blanco rojo naranja amarillo verde azul violeta Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 83

33 Propagación de la luz Refracción: dispersión Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 84 Propagación de la luz Refracción: dispersión y reflexión interna total en arco iris Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 85

34 Propgación de la luz Polarización Demonstration via this link Eliminación del deslumbramiento Luz solar viajando en todas direcciones Luz utilizable deslumbramiento Superficie reflectora Sin lentes polarizadas Con lentes polarizas Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 88 Philips Lighting Academy Fundamentos de Alumbrado Generación de luz v01 89